Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Моделирование стационарных планетарных волн в средней атмосфере и их влияние на зонально-осредненную циркуляцию

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Моделирование стационарных планетарных волн в средней атмосфере и их влияние на зонально-осредненную циркуляцию"

?Г6 од

И]!

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

СУХАНОВА СВЕТЛАНА АНАТОЛЬЕВНА

УДК 551.510.53

МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАЦИОНАРНЫХ ПЛАНЕТАРНЫХ ВОЛН В СРЕДНЕЙ АТМОСФЕРЕ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ЗОНАЛЬНО-ОСРЕДНЕННУЮ ЦИРКУЛЯЦИЮ.

Специальность 04.00.22 - геофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1994

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Университете

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

доцент А. И. Погорельцев

Официальные оппонепта: доктор физико-математических наук

профессор Ю. И. Портнягин доктор физико-математических наук доцент С. А. Солдатенко

Ведущая организация Центральная Аэрологическая Обсерватория

Защита диссертации состоится Е^часов_мин. в ауд.347

на заседании специализированного совета Д.063.57.51 по защите дассерттац на соискание ученой степени доктора наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: г.Санкт-Петербург, Университетска набережная, д. 7/9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. А. М. Горького СПбГУ.

¿-1994г.

Автореферат разослан "

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук

0

С. А. Зайцева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА■РАБОТЫ

Актуальность темы. Характерной особенностью структуры средней атмосфзры является существенная незональность ^особенно в зимний период) климатических распределений метеорологических параметров. Обычно эти долготные вариации аппроксимируют суммой зональных гармоник, причем на высотах стратосферы и мезосферн заметный вклад в долготные изменения оказывают только крупномасштабные гармоники с зональными волновыми числами т=1 и т=2, получившие название стационарных планетарных волн (СПВ) - под стационарностью понимается неподвижность этих гармоник относительно земной поверхности. Распространяясь с групповыми скоростями, эти волны обеспечивают эффективный перенос энергии, импульса и тепла из тропосферы,где их возникновение обусловлено орографическими не однородности™ земной поверхности и планетарным распределением материков и океанов, приводящим к незональности источников и стоков тепла в мезосферу и даже термосферу.

В ранних работах по моделированию структуры СПВ использова лось квазигеострофическое приближение, следствием которого является обращение в нуль возмущений геопотенциала {или давления) на экваторе. Это означает,что использование квазигеострофического приближения ведет к полной изолированности полушарий, т.к. обмен волновой энергией между полушариями отсутствует. Таким образом, для адекватного моделирования глобальной структуры СПВ необходимо использовать полные линеаризованные уравнения, учитывагацие агеострофические члены, обусловленные.как релеевским трением, так и адвективными членами в уравнении движения . В последние годи было разработано несколько таких моделей. Результаты расчетов по этим моделям показывают, что при наличии западных среднезонвльных

ветров над экватором возможно проникновение СПВ из одного Полушария в другое. Однако, для получения устойчивого решения на сфере в существуицих моделях приходилось либо вводить дополнительную диссипации (рост коэффициента рвлеевского трения) в экваториальной области , либо использовать сглаживание по широте, что также эквивалентно дополнительной вязкой диссипации. Увеличение диссипации вблизи экватора ведет к искажению структури СПВ в низких широтах, а также затрудняет оценку роли внутренних агеостро-фических членов, обусловленных адвективными членами в уравнении движения .

В настоящее время общепризнано, что вертикально распространяющиеся СПВ, возникашие в тропосфере, вносят существенный вклад в динамику стратосферы, т.к. они обеспечивают большую часть вихревых потоков импульса и тепла. Однако, вопрос о присутствии СПВ в мезосфере- нижней термосфоре.и их роли в формировании термода на-мического режима этих областей еще не исследован в должной степени.

В связи с изложенным для надежной интерпретации экспериментальных данных и более глубокого понимания процессов динамического взаимодействия различных атмосферных областей актуальной является задача построения численной модели, позволяющей рассчитывать глобальную структуру стационарных планетарных волн до термо-сферных высот и получать устойчивое решение в экваториальной области. .

Целью работы являлось: I. Создание модели, позволяющей на основе нового метода, который заключается в численном обращении широтного оператора с учетов взаимодействия возмущений на различных высотных уровнях, рассчитывать характеристики крупномасштабных долготных возмущений сред-

незонального состояния атмосфера до высот термосферы.

2. Численное моделирование глобальной структура СПВ с зональными волновыми числами т-1,2 в средней атмосфере до высот нижней термосферы с использованием реалистических фоновых ветра, температуры и коэффициента радиационного затухания температурных пульсаций для условий солнцестояния.

3. Исследовать проникновение СПВ из стратосферы зимнего полушария в термосферу летнего через волноводы, образованные западными зональными фоновыми ветрами над экватором.

4. Провести сравнительный анализ полученных результатов для стационарных планетарных волн с зональными волновыми числами т=1 и 2

5. Исследовать роль СПВ с и ш=2 в формировании термодинамического режима мезосферы- нижней термосферы и их вклад в зональ-но-осредленную динамику этой области.

Научная новизна работы состоит в том, что

1. Предложен новый метод расчета структуры СПВ на сфере, позволяющий адекватно моделировать крупномасштабные квазиствционарные движения в экваториальной области.

2. Впервые с помощью численного моделирования при задании реалистического распределения среднезонального ветра и зависящих от высоты фоновой температуры и коэффициента ньютоновского выхолаживания корректно рассчитана глобальная структура СПВ с зональными волновыми числами п=1,2 до термосферных высот не только в высоких, но и в низких широтах.

3. Впервые установлено, что присутствие СПВ в экваториальной области может бить экспериментально обнаружено наиболее надежным образом с помощью измерений долготных вариаций зональной компоненты скорости ветра.

4. Впервые проведен сравнительный анализ глобальной структуры СПВ

с зональными волновыми числами т=1 и ш=2 на высотах мезосферы-1Шкнвй термосфзры. Показано, что обе гармоники проникают из стратосферы зимнего полушария в термосферу летнего через волновода, образованные зональными фоновыми ветрами над экватором. Б. Впервые исследована роль крупномасштабных, иеодпородностей в Формировании термодинамического режима мезосферы - нижней термо-сфорц и вклад этих волн в зопальноосроднную динамку этой области.

Теоретическая и практическая ценность работы. В диссертации разработан метод решения граничной задачи па сфере, который позволяет обойти трудности, связанные с моделированием в экваториальной области, и может быть использован для расчета глобальных структур крупномасштабных долготных возмущений среднезоналыюго состояния атмосферы (стационарные и бегущие планетарные волны, приливные колебания). Результаты, полученные при реализации этого ыотода для расчета структуры стационарных планетарных волн, могут бить использованы при построении динамических моделей термосферы и ионосферы, учитывающих взаимодействие с метеорологическими процессами нижележащих атмосферных областей. Разработанная модель открывает возможность использования ее в моделях общей циркуляции атмосферы.

В диссертации выносятся на защиту:

1. Модель глобальной структуры стационарных планетарных волн в области высот 50-140 км.

2. Комплекс программ и результаты расчетов структуры СПВ с зональными волновыми числами п=1 и т=2 для климатических условий зимы северного полушария до высоты 120 км, полученные с исполь зованием разработанной модели.

3. Результаты расчетов воздействия СПВ с ш=1 н 3 на термр-

динамический режим ¡лезосферы и нижней термосферц. Реализация работы.Результаты исследований использовались при выполнении работ по грантам и темам НИР РГГМИ.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на научных семинарах отдела физики атмосферы ПИИФ СПбГУ, Института ионосферы АН Казахстана, кафедры метеопрогнозов РГГМИ, итоговой сессии ученого совета РГГМИ (Санкт-Петербург, 19ЭЗ), Всесоюзном симпозиуме "Геофизические аспекиты переноса npiweceft а верхней атмосфере" (Обнинск, 1990), на XX Международной Ассамблее МГТС .(Вена, 1991), на XVII Генеральной Ассамблее в Эдипгбурге в 1992г..

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка используекшс источников и двух приложений. Работа содержит III страша.; машинописного текста, 31 рисунок, библиографию из 94 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность теш исследования, сформулированы цель работ, ее научная новизна, теоретическая а практическая ценность работы, кратко изложено содержание диссертации,

В первой главе оцксани объект исследования» состояние вопроса в области моделирования глобальной структуры СПВ, основные уравне шм и метод решения. В пзраграфз I.I дается определение СПВ с тачки зрения классификации этого типа волн среди наиболее важных типов крупномасштабных двиганий. Подчеркивается, что рассматри ваются стационарные планетарные волна (СПВ),где под стационар но-стыа понимается неподвижность этих гармоник относительно земной

поверхности. Тем самым СПВ выделяются и среди бегущих планетарных волн и от волн нестационарных с быстро меняющейся во времени амп литудой. Первые достаточно быстро перемещаются на запад, мало за висят от структуры среднезональных ветров и обычно идентифициру ются с глобальными юрмалышми модами. Проявлением последних мо гут служить, внезапные стратосферные потепления к "разрушающиеся планетарные волны". Несмотря на отсутствие смещения фазы вдоль широты, стационарные планетарные волны обусловливают перенос энергии в меридиальном направлении. Особое положение СПВ среди крупномасштабных движений, их постоянное присутствие в средней атмосфере (особенно в зимний период) и сильная зависимость от структуры среднозональных ветров приводит к необходимости построения численных моделей. Проведен анализ существующих моделей СПВ. Основным результатом, установленным на сегодняшний день, является принципиальная возможность проникновения этих волн на высоты ме-зосферы и даже нижней термосферы при наличии западных средаезо-нальных ветров. В связи с этим встает вопрос об адекватностном описании поведения стационарных планетарных волн в низких широтах.

Параграф 1.2 посвящен описанию энергетически согласованной сис темы уравнений для возмущений и среднезоиальных величин в лог- изобарической система координат, описаны сделайте для этой система упрощения, основанные на масштабных оценках (число Ри-

? -9 2

чардсо намного больше единицы (Ri= Ы/иг>>1, где N = R(T0z+ae!r0/H )/Н - квадрат частоты Брента - Вяйсяля и малость числа Россби ( Ro=ü/( 2fl а coscp ) << I ) и получена система дифференциальных уравнений, используемых для для нахождения глобальной структуры стационарных волн при реалистических профилях среднезонального ветра, температуры и коэффициента ньютоновского

выхолаживания на высотах мезосферы и нижней термосферы.

В параграфа 1.3 рассмотрены особенности поведения СТО в низких широтах. Полученная система уравнений аналогична системе, используемой в теории приливов при нахождении собственных функций при ливного оператора Лапласа. Как и в случае приливов, на широтах расположенных вблизи экватора имеются кажущиеся особенности. Можно избежать эти особенности, введя функцию Ф таким образом ,

что но на этих широтах в нуль должно обращаться следующее вира я т*Р

кение: (созф-д^---—'(в действительности точный пуль будет

только в случае Рв=0). Однако, остаются вычислительные сложности. При численном моделировании глобальной структуры СЛВ производные по горизонтальной координате ( ф ) обычно аппроксимируют конечными разностями и используют условие обращения возмущения давления (или геопотенциала) в нуль на полюсах. В результате задача нахождения структуры стационарных планетарных волн сводится к граничной задаче по вертикальной координата. При таком подходе приходится на каждом высогном уровне по известной широтной структуре возмущения давления определять вертикальные производные. В этом случае ми не можем точно описать вертикальные производные вблизи экватора и может развить ся численная неустойчивость. Для борьбы с этой неустойчивостью в существующих моделях вводилось либо дополнительная диссипация, либо дополнительное сглаживание по широте.

В параграфе 1.4 описан метод расчета глобальной структуры СПВ, основанный на численном обращении широтного оператора с учетом взаимодействия возмущений на различных высотных уровнях. Он зак лючается в том, чтобы отказаться от традиционного подхода и ап проксимировать конечными разностями производные по вертикальной координате, а не по горизонтальной. Используя граничные условия

на нижней и верхней границах, задача нахождения глобальной стру ктури СПВ при таком подходе сводится к граничной задаче на сфере (по ф ). При таком подходе граничные точки (на полюсах) являются особыми для оператора широтной структуры СПВ, и стандартные ме то,™ ранения граничных задач не прикешьмы. Предлагается метод решения граничной задачи ца сфере, в основе которого легат требование регулярности решения на полюсах и условие непрерывности возмущенных величин на экваторе.

В второй главе приводятся результаты расчетов структуры СПВ ' средней атмосфере, в параграфе 2.1 описаны используемые фоновые характеристики, параметры диссипации и граничные условия. Обсу» дается выбор параметризаций для задания высотного хода коэф£ици еита ньютоновского выхолажагния, использованного для описания радиационного подавлегшя температурных пульсаций, связанных с планетарной волной.

Численные расчеты глобальной структуры планетарных волн с ш=1 и 2 проводились для климатических условий зимы северного полушария. Фоновый зональный ветер для января бил взят из модели С1ЙА-86 н линейно интерполировался до высоты 140 км. Расчеты выполнялись для атмосферы с высотой однородней атмосферы Н=7 км с использованием шага по высоте Ди=Н/4. Средаеглобальная фоновая температура То (г) бралась из модели КБК-ЗО

Диссилативные процэссы были параметризованы релеевским трением и ньютоновским выхолаживанием с коэффициентами рк=5*10~7 с-'и а^г). соответственно. Для нахоздешш «¡.(г.) на высотах до 70 км использовались формулы Данкертонэ, от 60 до 110 км - параметризация Шведа-Утяковского и выше 110 км - параметризация Кокартса.

В качестве гадала грашгашх условий использовались значения амплитуд и фаз возмущений геопотенциала для зональных гармоник с

зоналышми волновыми числам! ш=1,2 на высоте 2=52.5-им, которые былз! взяты из климатической модели Еарнета и Корт . На верхней границе 2=140 км возмущение геопотонциала полагалось равным нулю.

О помощью разработанной модели, с использованием выбранных фоновых характеристик, параметров диссипации и граничных условий била рассчитана структура стационарных планетарных воли с ш=1 и ш=2 для всех гидродинамических составляющих.

Анализ рассчитанной глобальной структуры амплитуд, фаз и потоков Элиссона-Пальма для ооналышх гармоник ш=1 и 2 позволяет сделать следующие выводи:

- Полученная структура меридиональных коотопент потока ЭП в экваториальной области не испытывает резких осцилляция. подобных получешшм в работе Кавахяры . По-видимому, это более соответствует реальности и свидетельствует о корректности применяемого алгоритма расчета волновой структура.

- Климатические условия зжлюй мезосферы и нижней термосферы обеспечивают расггространепле обет волновых гармоник СПЗ с т=1, 2 до высот низшей термосферу.

- Такке, как и в стратосфере , вклад волновых потоков импульса в перенос волнового действия СЕВ на высотах мезосферы и шишей термосфэри доминирует над вкладом волновых потоков тепла (значения горизонтальных компонент потока ЗП существенно превы иают значения вертикальных компонент).

- Наибольшие значения горизонтальной компоненты потока ЭП для СПЭ с ш=1 наблюдаются в Северном полушарии на высоте около 95 км в области, совпадающей с нижним краем обратной (восточ ной) струи в низшее термосфере. Для волновой гармоники т=2 го ризонтальная компонента потока ЭП максимальна в Южном полушарии на высоте около 115 км, где происходит "фокусировка" ьолнц к

Южному полюсу.

- Проникновение СПВ т=2 в мезосфэру и низких широтах Южного полушария происходит более эффективно, чем для волны т=1 (амп литуды возмущений для волны ш=2 в нижней термосфере сравнимы с амплитудами в стратосфере). Возможно, это объясняется тем, что большая часть волновой активности для т=2 на высотах нижней ме зосферы переносится в низкие широты, тогда как для ш=1 наиболь шая часть волновой активности на этих высотах "фокусируется" к Северному полюсу .

В третьей главе на основе рассчитанной структуры СПВ с ш=1, 2 исследуется воздействие этих волн на среднезональный поток и их роль в формировании термодинамического режима мезосферы и нижней термосферы.

Одним из наиболее удобных и разработанных на настоящий мо мент теоретических аппаратов для анализа воздействия волн на зо нальноосреднещшй шток является теория, основанная на испольэо вании трансформированных Эйлеровских уравнений (ТЭУ) теореме неускорения Чарни- Дразина и обобщенной теореме Элиассена-Пальма. Показано, что СПВ не оказывают значимого прямого вклада в фор дарование термической структуры мезосферы и нижней термосфе ры. Однако, такой вклад может сказываться через вторичную (остаточную) циркуляцию (у* и*), которая может приводить к существенному перераспределению тепла в меридиональной плоскости.

Влияние СПВ на динамику етеогфери через их воздействие на среднезональный поток зависит от величины Р, которая является мерой динамичного взаимодействия волн и среднезонального потока. Необходимо заметить. Что для линейных установившихся волн В этом случае при наличии диссипации мерой, характеризующей ускорение (отрицательно© или положительное) среднезонального по-

'тока волнам может служить как Р, так и П. Приведет рисунки рассчитанных значений ускорений ах=С/(р0асоаср) среднезонального потока диссипиругацими СПВ с гп=1 и га=2 Они дают общее представле ние о глобальном распределении в меридиональной плоскости волно вых ускорений па высотах мезосферы и нижней термосферы, характер' ном для условий зимы северного полушария. Получено, что макси мальные значения ускорений в этот период расположены для обеих гармоник в областях обращения фоновой циркуляции, т.е. вблизи критических уровней. СПВ с и=1 создают максимальные отрицателыше (т.е. направленные к западу) ускорения среднезонального потока на высотах 100 км в средних и высоких широтах зимнего полуша рия. Максимальные значения этих ускорений имеют величины ах~ -30 м/сек/сут. для гармоники с ш=1, и -7 м/сек/сут. - для гармоники с гп=2. Сравнение распределений ускорений с широтно-высотным сечением фонового ветра показывает, что стационарные планетарные волны оказывают, в основном, тормозящее действие на фоновый поток. Еще од ной особенностью распределения ускорений для гармоники с ш=2 является то, что она создает максимальные, направленные к западу ускорения на высотах ~115 км в низких широтах летнего полушария, что свидетельствует о более эффективном распространении СПВ с ш=г через экватор.

Сравнение рассчитанных значений ускорений ах, создаваемых диссипируицими СПВ с ш=1,2 на высотах мезосферы и нижней термосферы с рассчитанным распределением плотности волнового действия А показывает, что распределение А (за исключением знака) повторяет распределение ускорений аж, причем отрицательные ускорения зонального потока возникают в областях положительных значений плотности волнового действия, и наоборот. Это свидетельствует о том, что диссипация 1 волны приводит к уменьшению абсолютной ве-

личны А, или, иными словами, амплитуды волны.

Анализ полученных результатов приводит к выводу о том, что стасционарные планетарные волны могут создавать в мезо сфере и нижней термосферв заметные (а в некоторых областях даже сравнимые с ускорениями за счет гравитационных волн) уско рения средне-зонального потока и, тем самым, существенно вли ять на формирование динамического режима Этой области атмосферы. В реальной атмосфере учет турбулентной вязкости и теплопровод ности, по-видимому, приводит к меньшим пиковым значениям ускорения а к "размыванию" в пространстве сильно локализованных областей с повышенными значениями ах.

В заключении сформулируем основные результаты диссертационной работы.

1. Предложен и численно реализован новый метод моделирования глобальной структуры СПВ, основанный на численном обращении широтного оператора с учетом взаимодействия возмущений на различных высотных уровнях и позволяющий устранять математические трудности, связанные с моделированием в экваториальной области.

2. На основе разработанной модели проведены расчеты глобальной структуры СПВ с зональными волновыми числами 1,2 для условий зимы в северном полушарии на высотах 50- 140 км с использованием климатических распределений фонового ветра, температуры, параметров диссипации и распределения долготных неоднородностей на нижней границе.

3. На основе проведанного корректного прямого моделирования меридионального распространения СПВ через экватор и вертикального распространения этих волн на высоты термосферы исследовано про никновение СПВ с ш=1,2 из стратосферы зимнего полушария в термосферу летнего через волноводы, образованные западными фоновыми

ветрами над экватором.

4. На основе результатов расчета структуры GIB волн с m=I,2 , полученных с помощью разработанной модели, исследована роль этих долготных неоднородностей в формировании термодинамического режима мезосферы- нижней термосферы и. их вклад в зональ-ноосредненную динамику этой области.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: .

1. Медведев A.G., Погорельцев А..И., Суханова О.А. Моделирование глобальной структуры и проникновение через экватор стационарных планетарных волн. - Изв. АН СССР, ФАО, 1991, т.27, N 8, с. 813824.

2. Pogcreltsev A.I., Sukhonova S.A. Simulation оГ the global structure oi stationary planetary waves in the mesoaphere and lower therraosphere. - J.Atm.Terr.Phys.,■1993, Vol. 55, No. 1, P. 33-40.

3. Pogoreltsev A.I., Sukhanova S.A. Simulation of the global structure of stationary planetary waves inthe mesosphere and lower thennosphere.-xx IUt.G Ceneral Assembly , Vienna 11-24 August 1991, Abstracts, P.767

4. Pogoreltsev A.I., SuKhanova S.A. SlJiiulatlon of the global structure of stationary planetary waves inthe mesosphere and lower thermoephere.-Annales Geophyslcae, Supplement III to Volume 10, 1992, P.C382.